土壤中不同重金属元素含量的测定及分布研究

目录1 引言 (1)1．1 研究背景及意义 (2)1．2 国内外研究概况 (3)1．3 研究内容及路线 (5)2 研究区域概况 (5)2．1 自然环境概况 (5)2．2 社会经济概况 (6)2．3 现场周边概况 (7)3 材料与方法 (7)3．1 仪器与试剂 (7)3．2 标准曲线的测定 (8)3．3 土壤样品的采集与制备 (8)3．4 土壤样品预处理 (9)3．5 土壤样品重金属含量测定 (10)3．6 准确度、精密度、检出限的测定 (10)4 结果与讨论 (10)4．1 标准曲线测定结果 (10)4．2 土壤样品中重金属含量测定结果 (13)4．3 准确度和精密度测定结果 (19)4．4 土壤样品中重金属元素的空间分布 (19)结论 (23)致谢 (24)参考文献 (25)1 引言土壤是决定土地功能和生态系统服务的包含物理、化学和生物成分的异质混合物。

土壤可以提供营养，为生物提供栖息地和支持。

它也可以是有机化合物和无机化合物的大型汇合场所，包括重金属和类金属。

自然和人为改变过程都可以导致重金属释放到生态系统中。

作为一种特殊的污染物，重金属原是指密度大于4.0g/cm3的约60种元素或密度大于5.0g/cm3的45种元素[1]，如镉、铅、锌、铜等，它被普遍应用于工业生产中。

由于未能进行合理的处理，它们最后将通过各种渠道被排放进环境里并大量积累于土壤中。

土壤中的重金属污染由于高毒性、隐蔽性、持久性和生物积累而在世界许多地方成为严重的问题。

重金属污染不仅造成农业土壤成分、结构和功能的变化，而且还抑制作物根系生长，甚至减少作物产量。

此外，土壤重金属污染会直接或间接地通过食物链对人类健康产生有害影响。

因此，土壤重金属的生物危害性质的污染问题引起了社会的关注。

研究并建立一个正确、高效的分析方法，寻找并发现重金属元素在土壤中的分布、迁移转化规律，对人类健康和其它生物正常生长具有极其重要的意义[2]。

1．1 研究背景及意义1.1.1 土壤重金属的研究背景随着近几十年来工业化和城市化的快速发展，土壤重金属污染加剧，生态环境质量也大幅度下降。

土壤重金属的来源具有多样性。

一般分为自然来源和人为来源。

部分重金属元素天然存在于自然系统的土壤母质中，这部分重金属主要是以不易使生物循环利用的形式存在，土壤中重金属的天然含量往往保持在较低水平。

因此，重金属的富集通常是人类活动因素造成的，而人类活动污染源一般又分为农业生产污染源、工业生产污染源和生活污染源。

在农业生产中，含有重金属的受污染水体经过灌溉会将重金属转移至土壤。

除此之外，还有化肥的不恰当使用。

农业生产频繁使用的石灰和超磷酸盐肥料不仅含有植物生长所必需的营养元素，还含有As、Cd和Pb等有毒金属元素。

煤燃烧导致的大气污染，也极易使重金属污染扩散到土壤。

金属矿石的开采和加工以及交通运输都可能会加重土壤中重金属的污染程度。

还有部分工业污染源是基于重金属和有机污染物的流动，例如，在石油泄漏的情况下，从肥料进入土壤，改善土壤等方式。

这种类型的重金属污染性相对较弱。

在生活中，常见的有随手乱扔含汞、镍、铅的电池以及体温计和血压计等危险物品，都很可能造成土壤大面积污染的严重后果。

因此，土壤污染控制需明确土壤中重金属的主要来源，根据其来源来进行研究并制定相关的污染控制措施[3-6]。

1.1.2 重金属元素的危害（1）重金属对人类的危害重金属在土壤中具有很低的移动性，很难跟水产生淋滤作用，难以像有机物一般被微生物降解并转化，并容易被植物或其他生物吸收。

人类主要通过三种主要途径接触土壤污染物：直接摄入受污染的土壤，通过暴露的器官吸入和皮肤接触。

当污染物最终定位于人体组织和循环系统时，重金属会引起呼吸和心血管疾病，包括哮喘和肺癌。

有些不良反应与器官衰竭和神经内分泌衰竭有关。

研究表明，患重金属相关疾病的风险在儿童人群中普遍较高，这可能是由于他们的口对口饮食习惯，儿童生长过程中的发育迟缓可能与重金属污染有关。

如果人类食用了在含有重金属土壤上生长的农作物，重金属就会通过食物链的渠道进入人体，大大增加了腰背疼痛、中毒以及骨关节疼痛等污染类相关疾病的患病风险，对人体健康的潜在危害很大，所以应特别注意防止重金属对土壤的污染。

因此，加强关于重金属污染的研究与治理迫在眉睫。

（2）重金属对微生物的危害土壤微生物是土壤肥力和健康的重要指标。

然而，我们对土壤微生物活动，群落组成和金属污染下的碳使用模式的了解仍然很片面。

一些学者通过研究微生物群落组成和碳利用偏好来评估重金属（Cd和Pb）对土壤微生物的影响。

在受到人工污染的土壤中，选取含有不同浓度的Cd和Pb土壤进行研究，通过实验结果发现，重金属污染对选定的土壤性质没有很大影响，然而，它明显抑制了微生物活动和MBC形成。

受污染的土壤具有较高的微生物商数，表明一些微生物固定化碳作为MBC的能量需求较高。

值得注意的是，随着金属浓度的增加，微生物碳的使用效率受到抑制，但金属类型之间没有观察到差异。

基于微生物磷脂脂肪酸（PLFA）分析，在孵育实验结束时金属胁迫下总PLFA明显降低。

重金属对真菌种群的负面影响随着细菌数量的增多而增大。

土壤PLFA生物标志物的污染物驱动（金属浓度和类型）变化表明，重金属会造成土壤微生物群落组成及其活动的改变，从而对土壤微生物碳固定产生不利影响。

（2）重金属对植物的危害土壤为植物的生长提供营养物质和能量，当生长在受污染的土壤，植物在土壤中获取营养物质和能量的同时会受到土壤中重金属的污染。

二者联系紧密，土壤中的重金属会转移到植物的根、茎和叶片中，一些金属元素会抑制植物的光合作用和蒸腾作用，从而影响植物正常的生长和代谢。

严重者还会通过使植物叶片脱水进而影响植物的存活。

1.2 国内外研究概况1.2.1 土壤重金属含量的测定方法研究国内外常见的可以用于土壤中重金属测定的方法有很多，常用的样品预处理方法有微波消解、王水水浴和电热板消解。

余世清等[7]重点评述了这些研究方法的适用情况，在文中提出了各个方法的优缺点，并提供了重金属元素测定的未来研究路线，很多观点都为环境污染的治理提供了有力的技术支持。

而在他的文中也同样指出了电感耦合等离子体质谱法是目前最适合用来测定重金属元素的方法，因为它的灵敏度高，抗干扰能力强，受到了众多环境领域科学家的青睐。

电感耦合等离子体-质谱法问世于上世纪八十年代，在诸多分析方法中始终保持前沿地位。

由于具有灵敏度高、抗干扰能力强、超痕量检测限和多元素同时分析的优点，电感耦合等离子体质谱法被广泛应用于环境分析、生物与医学、地质科学、食品安全、材料科学、农业生产、冶金工业等各个领域。

电感耦合等离子体质谱法的操作原理为：首先离子化样品，样品经过电感耦合等离子体雾化和蒸发的处理后，将带电离子通过质量分析器将待测金属进行分离，再测定金属元素在样品中的含量，是现如今使用最广泛的分析方法。

在农业生产中，芮玉奎等[8]全面分析了进口KC1肥料中的10种重金属元素含量。

还全面的研讨了转基因棉花和转基因棉花的对照纤维中的微量元素和重金属[9]。

陈虹等[10]在测定农用土壤样品中Cd和Pb金属含量，首先湿法消解样品，采用ICP-MS对金属元素的含量进行检测。

尚媛等[11]在测定果园土壤稀土元素时也采用ICP-MS的方法。

基于电感耦合等离子体质谱法能够同时测定多元素的优势，孙明星等[12]使用该方法测定了农业生产中化学肥料中Hg、Cr、Cd、Pb和As等多种微量元素。

常规的原子吸收法和化学法有灵敏度低和测定速度慢等弊端，使用这种方法同样可以省去在汞元素分离后进行测定分析这一步骤。

电感耦合等离子体质谱法具有较高的回收率从而达到痕量元素的分析标准。

微波消解法是消解土壤样品的常用方法之一，王娜[13]在实验中测定土壤样品中的砷元素时使用了微波消解法。

其步骤为先消解样品，再进行在线校准，可以使用校正方程来校正实验过程中可能会存在的质量干扰，微波消解法同样适用于其他物质的消解，部分研究人员在测定木腐、药物中、调味品和地球样品中重金属含量时同样用到该方法[14-18]。

苏永琦等[19]消解奶粉样品时使用微波高压消化器，为了测定奶粉中Cr的含量采用了电感耦合等离子体质谱法。

通过实验数据中相对标准偏差和回收率的分析，发现该方法与其他方法具有一致的实验结果。

1.2.2 土壤重金属的空间分布研究研究土壤重金属的空间分布可以了解重金属元素在空间中如何移动并进行累积，这些信息可以为如何治理土壤重金属污染问题提供重要的技术支持。

一般可以采取统计的方法了解某地区重金属元素的分布规律，通过确定自变量绘制线性关系图来观察重金属元素的空间分布关系[20]。

这是一种有效的研究土壤重金属空间分布的基本方法。

1.2.3 土壤重金属的污染评价研究为了对研究区域的土壤污染情况做出一个系统的评价，一般需要与国家土壤环境质量评价标准限值相比较得出最终评价。

将土壤中的各个污染物含量测定结果分别与其对应的标准限值比较，从而判断该研究区域土壤的污染状况，并依照标准确定该土壤的分级。

A级土壤的污染情况较为轻微，B级土壤的污染情况较为严重。

如果重金属进入土壤中的速度和累积强度均超过土壤自身的净化能力，此时的重金属含量会超过环境标准，属于严重的土壤污染情况[21]。

1.3 研究内容及路线本课题主要研究土壤中不同重金属元素的含量及空间分布，重点研究的重金属元素有Cu（铜）、Zn（锌）、 Pb（铅）、Cr（铬）和 Ni（镍）五种重金属元素。

样品来源于石家庄市某农业用地，采用了王水提取测定电感耦合等离子体质谱法。

首先将土壤样品消解，利用微波消解的方法对土壤进行雾化处理，再运用电感耦合等离子质谱法对土壤样品中的重金属含量进行测定，根据实验结果进行定性、定量分析。

最后研究其在空间分布的规律，并对采样土壤做污染程度评价。

研究路线包括前期的查阅文献和收集资料，现场踏勘了解地势地貌和周边情况，随后采集、处理和分析实验样品完成实验，得出实验结果后进行数据处理与分析，最后针对课题研究内容得出结论。

2 研究区域概况2．1 自然环境概况石家庄市位于河北省中南部。

地理位置处于东经 113°09'-114°58'，北纬 37°42'-38°02'之间，城市总面积15848平方公里。

石家庄市的地势地貌特点显著，大多为山地，拥有太行山地和华北平原两大地貌特点。

西部地区位于太行山的东段。

石家庄市的四季较为分明，春秋季节时间短，夏季和冬季时间长。

降雨集中，降雨量分布具有差异性。

山区降雨量较多，强降雨极易造成泥石流、山体滑坡和洪涝等自然灾害，对山区周围的居民正常生活产生恶劣影响。

石家庄市的物产资源丰富，经统计全市有五十多个矿种，有二十六种矿产已经被探明储量，三十多种矿产资源已经开发利用并投入使用。